馬懷營1，2， 裴元東1，2 ， 潘 文1，2 ， 陳紹國1，2
（ １． 綠色可循環鋼鐵流程北京市重點實驗室，北京 １０００４３ ；
２． 首鋼集團有限公司技術研究院鋼鐵技術研究所，北京 １０００４３ ）
摘 要：介紹了燒結機頭除塵灰的特性以及目前針對燒結機頭除塵灰的的利用方法，分析了各種利用方法的利弊，對未來燒結機頭除塵灰的利用提出了展望。即先利用煙氣循環工藝對燒結機頭除塵灰進行減量化，再結合鋼廠的實際情況，采取優化原料結構降低除塵灰中有害元素含量，回用燒結、分離有害元素制備肥料等高附加值產品及金屬化球團等方式，實現其經濟合理的再循環利用。
關鍵詞：燒結除塵灰；循環利用；煙氣循環；減量化；有害元素
燒結工序粉塵主要有機頭除塵灰、機尾除塵灰、環冷除塵灰、篩分除塵灰和燃破除塵灰等，燒結工序每噸燒結礦粉塵產生量為２０～４０ｋｇ 、排放量約為１．０２ｋｇ ，粉塵排放量占鋼鐵企業總排放量的４０％左右［１］。趙亮等［２］通過對從燒結各工序的粉塵排放量測試發現，燒結機頭除塵灰總量約占燒結除塵灰的１／ ３，其中ＰＭ１０ 的質量分數較高，達到４８．６２％ ，采用模糊評判法評價燒結工序各個煙塵排放點，燒結機頭除塵灰由于含硫、重金屬等綜合評價系數最大，是燒結工序最重要的排放源。燒結粉塵合理利用是燒結及鋼鐵行業綠色發展的重要內容［３－４］，本文討論了燒結機頭除塵灰的物性特點，并對其循環利用方面的研究和應用情況進行了總結，為其經濟合理利用提供參考。
１ 燒結機頭除塵灰特性
燒結機頭煙氣溫度變化大，為８０～１８０℃ ；煙氣含濕量大，水分在８％～１２％ ，并含有腐蝕性氣體和有毒氣體等；煙氣夾帶粉塵多，燒結機頭除塵灰普遍采用的集塵方式為電除塵，通過設置多個電場對燒結除塵灰進行逐級捕集。燒結機頭除塵灰的成分主要取決于所用鐵礦粉，不同燒結廠機頭除塵灰成分差異明顯，見表１［５］。
某燒結廠機頭各電場除塵灰的主要化學成分情況見表２ 。可以看出，燒結機頭除塵灰含有較高的鐵、氯、鈣和硫，堿金屬鉀和鈉含量遠遠超過燒結礦中含量，重金屬方面含有較多的鉛和鋅；分電場看，２號、３號和４號電場除塵灰呈現鐵含量降低，鉀、鈉、鉛及鋅含量增加趨勢。研究表明，其中的鐵主要以Ｆｅ３Ｏ４和Ｆｅ２Ｏ３的形式存在，燒結機機頭除塵灰中的鉀、鈉多以 ＫＣｌ 、 ＮａＣｌ的形式存在［６］，銅、鉛、鋅等重金屬元素多以氯化物、氧化物的形式存在［７］。此外，燒結機頭電除塵中還含有部分二噁英，張玉才等［８］通過測試兩臺燒結機機頭煙氣發現，煙氣中的二噁英含量分別為１．２４和０．４４ｎｇＴＥＱ／ ｍ３ ，電場除塵灰分別捕獲了煙氣中約５５．４６％和８５．５５％的二噁英。而二噁英具有毒性強，極難溶于水，強脂溶性，在酸、堿溶液以及環境中性質穩定等特點，在環境中的平均半衰期約為９年［９ ］，因此，燒結機頭除塵灰需要得到妥善處置。
某燒結機機頭電除塵灰的粒度情況見表３ 。可以看出，燒結機機頭電除塵灰隨電場由前到后（１號→２號 →３號→４號）粒度逐漸變細，比表面積升高。付本全等［１０］的測試表明：前端電場的大粒度粉塵呈塊狀、粒狀，后端電場的小粒度粉塵呈簇狀、團絮狀，干法 磁選后１號電場磁性物質比例較大，達４８．９４％ ，２號、３號電場除塵灰的磁性物質比例較低，主要受除塵灰顆粒表面包裹的一層非磁性物質影響。
２ 利用現狀
燒結機機頭除塵灰由于成分受燒結原燃料影響大，具有粒度細、疏水性強、堿金屬含量高等特點，目前采用的利用方式主要有直接回用燒結、制粒后回用燒結，制備球團、肥料等方式，針對部分電除塵灰個別高價值元素含量高的特點，研究開發了相應的元素提取工藝。
２．１ 直接回用燒結
將燒結機頭除塵灰作為原料直接混入燒結混合料是多數鋼廠如武鋼、柳鋼等采用的方式，具有操作簡單、處理成本低等特點，但是由于除塵灰易被再次吸入除塵器，難以穩定連續配加等問題會影響燒結配料過程的穩定性，造成燒結混勻料水分波動；同時除塵灰的潤濕性差影響造粒效果，對燒結礦質量穩定造成影響。燒結廠一般采取配入量限制、部分回用、多種除塵灰混合等方式，柳鋼開發了氣力成分均勻技術，除塵灰氣力輸送后經渦流勻化器統一集中進行二次勻化后排入到配料灰倉中，再通過高精度連續穩流配料器實現精準配用，穩定燒結配料［１１］。
２．２ 制粒后回用燒結
將除塵灰預制粒后回用燒結是提高除塵灰利用效果的一種方式，可避免直接回用燒結造成配料不準、制粒性差等負面影響，通常需要加入石灰類的黏結劑，以提高制粒效果。彭志堅等［１２］將水鋼燒結機頭除塵灰與機尾除塵灰、瓦斯灰及出鐵場除塵灰混合后制粒，燒結料中配入６％～８％的除塵灰球可以改善料層透氣性，穩定水碳，增加燒結礦產量，并改善質量。首鋼曾將燒結電除塵灰等混合灰配入ＪＦ添加劑，利用造球盤進行制粒，制粒后的除塵灰球配入混合料后能夠提高燒結料層透氣性，燒結機利用系數和成品率均有所提高［１３］。寶鋼采用生石灰作為黏結劑，將燒結電除塵灰等７個煉鐵過程中產生的除塵灰作為原料，建設１００萬ｔ ／ ａ的粉塵造粒工藝，通過強力混合、潤磨合造球工藝后輸送到燒結制粒后皮帶進行燒結［１４］。
２．３ 制備球團
回用燒結雖然能解決除塵灰的利用問題，但是仍會造成燒結礦中堿金屬富集、篦條糊堵等現象；同時燒結礦中鋅含量的升高會危害高爐的壽命和產量，部分燒結廠機頭除塵灰中較高的鋅含量也是限制其循環利用的重要因素。
火法還原是目前國內外鋼鐵企業比較流行和較為認可的含鋅含鐵塵泥處理方法，能有效實現含鋅球團的脫鋅，同時 還 能夠 實現 對 鉀、鈉和鉛 的脫除［１５－１６］，采用此種方法可以有效解決燒結機頭除塵灰利用過程中的堿金屬及鉛、鋅等重金屬富集的問題。研究者們針對燒結電除塵灰進行了高溫還原制備金屬化球團的研究。謝劍波等［１７］將燒結電除塵灰配加軋鋼皮、活性炭、膨潤土以及有機黏結劑的混合料造成生球，并經預熱、焙燒后制備脫鋅金屬化球團，配加３％的活性炭能得到較好冶金性能及低鋅含量的金屬化球團礦。畢學工等 ［１８ ］以燒結電除塵灰、軋鋼皮、膨潤土、有機黏結劑和潞安煤為原料制備球團，獲得脫鋅率達９１％ 、金屬化率為８０％ 、抗壓強度為２１０５Ｎ 的球團。火法還原主要的處理工藝為回轉窯法和轉底爐法，國內外主要用于高爐灰、轉爐灰等高鋅粉塵的處理，輔助處理燒結機頭除塵灰，但是回轉窯法存在低鋅粉塵窯壁結圈的問題［１９］，轉底爐法存在投資高、能耗和生產成本高、作業率低等問題，均未能得到廣泛實施。
２．４ 制備肥料等高附加值產品
由于鉀在燒結機頭電除塵灰中主要以氯化物的形態存在，針對其易溶于水的特點，其提取利用主要研究方向為制備氯化鉀作為肥料。張梅等［２０］在國內現有除塵灰提取氯化鉀的工藝基礎上提出了水洗脫鉀 → 固液分離 → 除雜與脫色 → 固液分離 → 真空蒸發 → 冷卻結晶的氯化鉀回收新工藝，獲得氯化鉀質量分數達９７．２４％的產品。錢峰等［２１］ 采用水浸、磁選、過濾、蒸發等工藝，去除其中的有害元素，開發出二次提純結晶的方法，將氯化鉀質量分數由９３．０％提高到９９．８％ ，磁選濾渣不僅堿金屬含量降低，而且鉛含量也大幅降低。郭占成等［２２］發明了一種利用燒結電除塵灰生產氯化鉀的方法，并在唐山市曹妃甸區建立了一條利用冶金富鉀粉塵年產氯化鉀５萬ｔ、年產精鐵粉２０萬ｔ的生產線，實現了燒結電除塵工業化再循環利用［２３］，其處理后的某批次除塵灰與作為原料的某燒結機電場灰的主要成分情況見表４ 。可以看出，提鉀后的除塵灰精粉鉀、鈉含量均大幅降低，鐵品位得到大幅提升。但是由于這種工藝所用原料來自各個鋼廠，所回收的鐵精粉成分及燒結性能不固定，對其利用可能會造成一定障礙。
因所用原料不同，不同燒結廠的燒結機機頭除塵灰的雜質元素如鉛、銀等含量也有所差異，如邱紅緒等［２４］采用火焰原子吸收光譜法對河北地區１１家鋼鐵廠燒結機頭除塵灰試樣測試發現，銀的含量為３６～２９９ｇ／ ｔ不等，采取合適方法進行針對性地提取并利用，可以實現燒結機頭除塵灰的經濟循環利用。張佴棟等［２５ ］以煉鐵燒結機頭除塵灰為試驗原料，采用酸性硫脲法浸出燒結灰提取銀。在最佳提取條件下，獲得真實銀的浸出率為８９．９％ 。吳濱等［２６］將燒結電除塵灰通過水洗除鹽，并以氨水為絡合劑經分步分離回收試驗回收銀、銅和鋅，獲得含銀質量分數９１．２０％ 、含銅質量分數８６．４０％及含氧化鋅質量分數９８．７０％的各分離產物，燒結除塵灰中銀、銅和鋅元 素 的 總 回 收 率 分 別 為 ７１．２０％ 、 ６０．４０％ 和５６．７１％ 。燒結灰中的鉛多以氧化物和氯化物形式存在，不溶于水，也不具有磁性，多采用氯化浸取的方式。付志剛等［２７］采用 ＨＣｌ－ ＮａＣｌ混合溶液濕法浸取回收燒結電除塵灰中的氯化鉛，并利用其熱分解制取純度為 ９９．２５％ 的一氧化鉛，鉛回收 率達９５．０８％ ，劉憲［２８］制取出純度為９９．８％的一氧化鉛產品，但是目前這些技術僅停留在實驗室階段，并未得到工業化應用。
３ 展望
針對燒結機頭除塵灰，目前研究開發了多種利用方法，沒有一種完全適用于所有鋼廠的合理經濟的再利用工藝，本文認為可以從源頭控制和末端治理兩方面著手解決燒結機頭除塵灰的利用問題。
從源頭抓起減少燒結機頭除塵灰的產生及有害元素的含量是控制其產生量、降低處理難度和成本的有效手段，燒結配料方面可以通過優化原料結構，減少高有害元素的礦石用量以降低燒結機頭除塵灰的有害元素含量；工藝方面推薦采用煙氣循環工藝直接降低燒結煙氣中的粉塵總量。目前，煙氣循環工藝在國內外均得到了一定的應用，通過將部分煙氣循環到燒結料面，可直接減少煙氣量，從而實現粉塵和污染物的減排，國內沙鋼、寧鋼、聯峰鋼鐵等鋼廠燒結煙氣循環比例在２０％～３５％［２９］，最高煙氣循環比例為荷蘭艾默伊登鋼鐵廠的 ＥＯＳ （ ｅｍｉｓｓｉｏｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｓｉｎｔｅｒｉｎｇ ）工藝達到５０％ ，實現二噁英減排量達到７０％ ，顆粒物和 ＮＯ ｘ 減排量近４５％［３０］。
末端治理方面，各鋼廠所用原料、燒結裝備及工藝條件不同，燒結機頭除塵灰有害元素含量也有明顯差異，所以應根據自身特點采用合理的方式實現資源化處理，建議總的低成本治理思路為：首先通過煙氣循環工藝實現粉塵減量，其次根據各自除塵灰成分特點，通過優化原料結構降低超出回用標準的有害元素含量，采取部分或全部回用燒結的方式。對于有害元素超標無法回用的企業，可采取銷售至集中處理企業生產肥料等高附加值產品，在分離有害元素后實現回用；對于無法采用上述方式的燒結廠，則需配建合適的有害元素分離工藝，如氯化鉀提取工藝、回轉窯工藝、轉底爐工藝等，以實現燒結除塵灰資源化合理利用。
４ 結論
（１）燒結機頭除塵灰產生量大、粒度細，成分中含有大量的鐵氧化物可以回收利用，但也含有過多的以氯化物、氧化物的形式存在的堿金屬、重金屬等，同時還含有一定量強毒性的二噁英。
（２）當前中國燒結機頭除塵灰的利用方式有直接返回燒結利用、與多種除塵灰制粒后回用燒結、脫鋅制備金屬化球團及分離有害元素制備高附加值產后回用燒結等。
（３）煙氣循環技術能夠實現燒結機頭除塵灰及其他污染物大幅減排，未來燒結除塵灰總的低成本處理思路應為先進行煙氣循環減量化，再根據各鋼廠實際情況采用回用燒結或分離有害元素后再利用的方式。